基于达索系统3D体验平台的铁路土建工程BIM协同设计技术研究
摘要:为了解决铁路土建工程建筑信息模型（BIM,Building Information Modeling）设计过程中出现的重复建模、数据传递不畅问题, 从协同设计环境出发，围绕“骨架-模板”设计方法，对路基、桥梁、隧道专业BIM设计技术及专业间接口设计技术进行研究。提出包括信息传递方法、模型设计方法在内的协同设计环境，实现了模型数据的有效管理和BIM技术标准的有效实施。提出以骨架设计、构件模板设计、构件装配设计三步骤为代表的土建工程BIM设计流程，实现了三维BIM环境下的土建工程设计流程再造。提出土建工程专业间接口设计技术，充分发挥协同设计环境在土建工程领域的应用价值。BIM协同设计环境、土建专业设计流程、专业间接口设计技术为满足各方信息需求提供了有效路径, 可为后续BIM技术在铁路工程中的应用提供借鉴。
2014年，铁总安排了以牡佳、京雄为代表的17个BIM试点项目，随着这些项目的成功开展,BIM技术在铁路工程领域得到了大力推广和应用。铁路BIM联盟在标准制定方面进行了大量的基础研究 ,目前为止发布了13项铁路BIM标准,为BIM技术在铁路工程中的应用提供了标准支撑。
在铁路土建工程BIM设计领域,许多业内人士进行了技术研究与工程实践,赵月悦等人运用Revit软件建立一整套高速铁路桥梁构件库，对拱桥、钢－混组合梁斜拉桥以及预应力混凝土部分斜拉桥等特殊复杂桥梁进行BIM设计；谢先当等人基于OpenRail Designer二次开发，形成具备路基本体、支挡工程、边坡防护、地基处理、三维排水等功能在内的路基正向设计系统；张轩在京张高速铁路隧道工程中，使用Bentley平台开展了包括碰撞检测、出图算量、正向设计、协同设计在内的隧道工程BIM应用研究。上述研究多是针对路基、桥梁、隧道的单一专业进行,从各自所处的角色对BIM技术进行应用探索,而针对土建工程全专业BIM设计环境及设计方法的研究或应用案例未见介绍。
本文从基于达索系统3D体验平台的三维协同设计环境出发，围绕 “骨架-模板”设计方法，研究路基、桥梁、隧道工程各专业BIM设计技术及专业间接口设计技术,以期达到三维精细化设计与正向设计的目标。结构化信息依托设计骨架传递，骨架即铁路工程的主要位置及主要特征，以轻量化的点、线、面和参数对铁路骨干进行表达，在铁路工程BIM设计中起着定位与专业间信息传递的作用，骨架设计成果可作为模型装配和实例化的输入参数。因此，骨架设计的过程处处体现了多专业协同作业的过程。参考传统铁路工程设计过程，结合BIM设计特点，将骨架设计划分为两个阶段，即总骨架设计和专业骨架设计。
（1）总骨架
总骨架包括线路空间曲线，及路基、桥梁、隧道各专业缺口里程。
（2）专业骨架
专业骨架具体内容根据专业特点确定，是对总骨架的进一步深化，工程特征描述更精细。
非结构化信息以各种数据文件承载，包括Word、Excel、AutoCAD等常用软件生成的文件。
ENOVIA是达索系统3D体验平台的B/S架构应用模块，设计人员可通过ENOVIA模块在浏览器端实现模型数据库、人员权限及任务分配、文件数据的远程管理。有关责任人在启动所负责的任务后，于ENOVIA端提交设计文档到每项任务，并开展成熟度状态和版本管理工作。
为从源头上保证铁路土建工程设计的系统性，提出“三棵树”的设计理念，并制定相应BIM实施标准。“三棵树”分别对应不同的设计成熟度。
（1）骨架结构树：用于工程结构的框架性设计和信息传递。
（2）设计结构树：用于设计过程和BIM模型组织。海量模型及其关联关系的存储会带来数据库性能的下降，减少数据库记录可有效提高数据存取和索引效率，增强协同设计体验。因此，在满足设计检查、优化和工程数量统计的前提下，使用简化特征表达标准构件，对组合后发挥特定作用的若干构件按一个构件进行设计，每个构件使用特征表达，并从特征层面建立约束关系，以达到减少数据库记录、提升平台运行效率的目标。
（3）交付结构树：用于从设计模型转换为交付模型。按照《铁路工程信息模型交付精度标准》规定，模型需按单体构件存储、组织。在交付前使用平台工具将设计结构树升级至交付结构树，将以简化特征或整体表达的模型升级成单体构件，以满足建设管理、数字化施工等应用需求。
“骨架-模板”是一种自上而下的设计方法，以桥梁工程为例，骨架定义了桥梁上下部各构件的整体定位基准，其本身是BIM模型的一部分，通常外在表现为点、线、面和坐标系等形式。基于该方法，一座桥梁的梁体、桥墩、桥台和基础等组成部分，在相对空间位置发生变化时，能够继承原有的设计框架，自动实现设计更改。
线位主骨架是创建桥梁定位骨架的基础，在模型空间表现为一条空间曲线，既包含平面曲线信息，又包含纵断面信息。
获取线位主骨架后，为了完成对桥梁各部分构件的定位，还需要表格形式的输入信息。桥梁一般包含梁体、桥墩、基础以及桥台四个主要部分，输入信息由里程、高程、弯道布置、构件类型等数据组成。
基于上述输入信息，在达索系统软件知识工程模块的Knowledge Pattern工具中，使用EKL语言编写脚本程序，调用达索系统软件API(Application Program Interface)实现桥梁骨架运算算法，完成桥梁定位骨架批量建模。
路基骨架分为工点线位（一级骨架线）和路肩线（二级骨架线），它们是路基工程BIM建模的重要输入元素。一级骨架线的创建方法是在每个路基工点范围内截取空间左线模型；二级骨架线是以工点范围作为边界条件生成左右侧路肩位置三维空间曲线，创建该三维空间曲线时需考虑轨道结构形式、铁路等级对曲线加宽的影响。
对于U型槽来说，以左线投影线作为基准，根据U型槽单元长度、伸缩缝宽度，使用EKL脚本语言中的split（）函数批量切割空间左线，生成每个U型槽段落的空间骨架，作为模型实例化的输入条件。
以正洞和洞室为例，首先编制设计信息表，该表既可以作为隧道构件模板实例化的依据，也可以作为骨架建模的依据。步骤如下：
（1）确定骨架起终点里程
从设计信息表读取各隧道节段的正洞起终点里程，以及各洞室所在里程、左右侧信息及轴线长度。
（2）生成三维起终点
由于铁路工程中的里程是平面左线长度的数值反映，因此，为了生成三维起终点，首先沿平面左线以里程值为度量生成临时定位点，再通过该点沿Z方向延伸与空间左线相交生成三维起终点。
（3）生成隧道骨架线
使用EKL语言编写脚本程序，循环截取空间左线，并生成与洞室轴线长度相等且垂直于空间线位的短线，分别作为隧道正洞和洞室骨架。
结合BIM在铁路土建工程中的应用实践, 从“骨架-模板”设计方法出发，围绕三维协同设计环境、骨架设计、构件装配设计和专业间接口设计,研究铁路土建工程BIM协同设计技术。
建立同时具备三维结构化与非化信息传递、设计成熟度管理功能的协同设计环境。基于达索系统3D体验平台EKL脚本语言及CAA架构，运用多层次开发手段，实现骨架设计与批量BIM建模。在上述成果基础上，针对桥隧相接位置、系统排水、过渡电缆槽（井）工点开展专业间接口设计验证，充分体现了BIM技术的优势。
目前铁路土建工程BIM设计大多基于国外通用软件平台开展，未来应集中力量开发具有国产自主知识产权的BIM设计软件，并积极进行工程验证。
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